Warum wird gesagt, dass sich Licht unterschiedlicher „Farben“ mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet? Führt dies dazu, dass sich das Signal „auffächert“ oder verschwimmt?
Dispersion in optischen Fasern ist ein physikalisches Phänomen, bei dem sich ein optisches Signal zeitlich verbreitert, während es sich entlang der Faser ausbreitet. Dies geschieht, weil unterschiedliche Komponenten des Lichtsignals (unterschiedliche Wellenlängen oder „Farben“) unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.
Warum sich unterschiedliche „Farben“ mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten
Die Lichtgeschwindigkeit in einer optischen Faser wird durch den Brechungsindex (n) des Glasmaterials bestimmt (v = c/n). In optischen Fasern ist der Brechungsindex keine Konstante; er variiert geringfügig je nach Wellenlänge (Farbe) des Lichts. Dies wird als Materialdispersion bezeichnet.
Da ein typisches optisches Signal keine einzelne, unendlich schmale Wellenlänge ist, sondern ein Puls, der ein schmales Spektrum von Wellenlängen enthält, „sieht“ jeder Teil dieses Spektrums einen anderen Brechungsindex und breitet sich somit mit einer leicht unterschiedlichen Geschwindigkeit aus.
Verursacht dies, dass sich das Signal „ausbreitet“ oder verschwimmt?
Ja, genau. Dieser Effekt wird als Pulsverbreiterung bezeichnet.
- Am Eingang: Sie beginnen mit einem scharfen, gut definierten digitalen Puls (der eine „1“ in den Daten darstellt).
- Während der Übertragung: Da die „schnelleren“ Farben das Ende der Faser früher erreichen als die „langsameren“ Farben, beginnt sich der Puls zu dehnen.
- Am Ausgang: Der scharfe Puls hat sich „ausgebreitet“ oder „verschwommen“.
Wenn die Dispersion hoch genug ist oder die Faser lang genug ist, überlappt sich der Schwanz eines Pulses mit dem Anfang des nächsten Pulses. Dies wird als Inter-Symbol-Interferenz (ISI) bezeichnet, die zu Datenfehlern führt und die maximale Bandbreite und Übertragungsdistanz des Glasfasersystems begrenzt.
Dispersion in der FBG-Technologie
Im Kontext von Fiber Bragg Gratings (FBGs) kann die Dispersion präzise gesteuert werden. Beispielsweise sind Chirped Fiber Bragg Gratings (CFBGs) speziell dafür ausgelegt, ein Brechungsindexprofil zu haben, das entlang der Länge des Gitters variiert. Dadurch können sie unterschiedliche Wellenlängen an verschiedenen Punkten reflektieren und effektiv als „Kompensator“ wirken, um die durch die Faser verursachte Pulsverbreiterung zu beheben.
DCYS (OFSCN®) nutzt fortschrittliche Gitter-Schreibtechnologien, um eine hohe Signalintegrität in Sensoranwendungen zu gewährleisten. Weitere technische Details zu FBG-Merkmalen finden Sie hier:
Fiber Bragg Grating (FBG) – Prinzip und Technologie
Standard-FBG-Struktur für Sensorik:
